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date de publication27.03.2017
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FICHE 1

PRÉSENTATION


Titre

Isoler une maison…une question de physique ?

Type d'activité

Activité documentaire

Objectifs de l’activité


Introduction des notions de flux thermique et de résistance thermique

Références par rapport au programme


Cette activité illustre le thème

Comprendre / Lois et modèles

et le sous thème

énergie, matière et rayonnement

Transfert d’énergie entre systèmes macroscopiques :
en classe de Terminale S





Notions et contenus
flux thermique. Résistance thermique

Compétences exigibles
Exploiter la relation entre le flux thermique à travers une paroi plane et l’écart de température entre ses deux faces.


Conditions de mise en œuvre

Prérequis : transferts thermiques : conduction, convection, rayonnement
Durée : 2 heures
Contraintes matérielles : vidéoprojecteur / liste matériel dans la fiche 2

Remarques




Auteur


  1. BERNARD

Académie de LYON



FICHE 2

LISTE DU MATÉRIEL



  • éventuellement accès internet

  • Vidéoprojecteur

  • Trois cristallisoirs

  • Eau

  • Trois thermomètres électroniques

  • Chiffon

  • Échantillons de matériaux isolants.

  • Plaque métallique

  • Plaque de bois

FICHE 3
Fiche pour le professeur




  1. Etude des documents 1 et 2 :




  1. D’après les documents présentés, préciser les modes de transferts d’énergie mis en jeu lors des déperditions énergétiques dans une maison non isolée.


Essentiellement de la conduction. C’est le mode de transfert qui apparaît toujours dans un fluide ou un solide dès qu’il y a un gradient de température. Il s’agit d’un transfert thermique de proche en proche par chocs microscopiques entre particules d’énergie différente, les particules les plus énergétiques transmettant de l’énergie cinétique à celles qui en ont moins


  1. Activité expérimentale :

On dispose de trois cristallisoirs, l’un contient de l’eau froide, le deuxième contient de l’eau tiède et le troisième de l’eau chaude. Un élève trempe la main gauche dans l’eau froide et la main droite dans l’eau chaude pendant une minute environ. Puis il trempe ses deux mains dans le cristallisoir d’eau tiède.


  1. Noter ses observations : Une main indique une eau froide et l'autre que cette eau est chaude.




  1. Interpréter les résultats :

  • Dans quel sens se réalise un transfert énergétique ? Nous percevons les échanges d’énergie et non la température…les transferts thermiques s’effectuent du corps chaud vers le corps froid.

Quelque chose vous parait chaud quand il est plus chaud que nos mains. Et plus froid sinon.

  • Quand le transfert cesse t’il ? Le transfert cesse lorsque les deux corps sont en équilibre thermique.

Si nécessaire : Le corps chaud et le corps froid sont en contact. Les molécules du corps chaud sont plus agitées, et elles se cognent aux molécules du corps froid qui commencent à bouger plus vite, alors que celles de l'objet chaud sont ralenties. On dit que l'objet chaud transfère de l’énergie thermique au froid. Les deux corps, en s'échangeant de l’ énergie changent de température.


  1. Les échanges énergétiques dans une maison se déroulent ils dans le sens décrit à la question 2) ?

Doc1 : « Les besoins en chauffage sont diminués et votre facture allégée. En été, l’isolation fait barrière à la chaleur et au rayonnement solaire extérieur. »

Doc2 : « Cette couche agit comme un bouclier invisible pour empêcher en hiver la chaleur intérieure de fuir à l’extérieur »

Donc les transferts sont réalisés dans le sens établi à la question 2).


  1. Etude du document 3 :




  1. Qu’est ce qu’un isolant thermique ?

Un isolant est un matériau qui limite les échanges d'énergie entre deux systèmes.

  1. Expérience de pensée :

Imaginez deux morceaux l’un de métal et l’autre de bois dans la même pièce depuis longtemps : ils sont à la même température.

  • L’un des matériaux vous paraît il plus froid que l’autre au toucher ? Le métal semble plus froid que le bois.

  • Proposez une interprétation

Le métal est un meilleur conducteur thermique donc il nous prend plus d’énergie thermique que le bois. Le morceau de bois est à la même température, mais c’est un mauvais conducteur thermique.

Si nécessaire réaliser la manipulation


  1. Exprimer la résistance thermique en fonction de l’épaisseur du matériau et de sa conductivité thermique.



Épaisseur de différents matériaux pour une même résistance thermique

Définition de la résistance thermique « intrinsèque » d’un matériau dans le domaine du bâtiment : c’est-à-dire en ne tenant pas compte de la surface exposée.

 où : e est l'épaisseur en m ; λ est la conductivité thermique en W K-1 m-1

  • R est la résistance thermique intrinsèque en m2.K.W -1

NB : La résistance thermique des matériaux est utilisée dans les règlementations thermiques (RT 2012 en France).

  1. Comment isoler un mur ?

On isole un mur « paroi plane » en superposant les couches d’isolants de l’intérieur ou par l’extérieur ….tout en laissant une circulation d’air (béton cellulaire, laine, chanvre….)


  1. En déduire une propriété des résistances thermiques.


Les résistances thermiques s’additionnent lorsque les isolants sont associés (en série…faire le lien avec l’électricité)


  1. Institutionnalisation des recherches :


Conditions d’étude :

Soit un milieu conducteur de chaleur (de coefficient de diffusion thermique  ) ne dépendant que d'une seule variable d'espace et dont la température en deux points ( x=0 et x=L ) est imposée (respectivement à T0 et TL ) ; le tout en régime indépendant du temps.



Flux thermique :
Le flux thermique est par définition la quantité d’énergie thermique qui traverse une surface isotherme par unité de temps :

 unité : le Watt

Résistance thermique :

 R en K·W-1

faire une remarque par rapport aux résistances utilisées dans les BTP donc aux unités.

Pour une même différence de température plus la résistance thermique est forte moins la quantité d’énergie thermique traversant le corps est forte.

Un isolant thermique est donc un corps qui possède une résistance thermique de conduction importante.

La résistance thermique est définie par rapport à des surfaces isothermes. La géométrie de ces surfaces dépend de la géométrie de l'objet dans lequel la conduction thermique se produit.
Cas particulier d’une paroi plane :

Les isothermes sont des surfaces planes et parallèles (cas d'un mur de maison).

La résistance thermique R d’un élément d’épaisseur e (en m), de surface S (en m2), et de conductivité thermique λ [ ](en W·m-1·K-1) vaut : 

NB : Cette formule néglige les effets de bord en supposant que les dimensions (longueur, largeur) de l’élément sont très grandes devant son épaisseur (L >> e et l >> e) . On suppose aussi que les matériaux constituant l’élément sont isotropes, c’est-à-dire que leur comportement thermique est le même quelle que soit la direction. L’élément peut être constitué de différents matériaux isotropes (ou considéré comme tel), par exemple un mur en brique recouvert d’un enduit à l’extérieur et d’un isolant à l’intérieur.

Analogies :




Électricité

thermique

cause

U : différence de potentiel en V (cause)

T : différence de température en K

Effet

I : intensité du courant électrique en A

: flux thermique en W

Résistance

électrique R : en ohm

thermique R : en K.W-1

loi

d’ohm : U  = RI

de Fourier : T  =  R


Prévoir pour les séances suivantes :


  • Une recherche des différents isolants et de leur R.

  • Des exercices d’application (calcul de R, application dans le bâtiment et comparaison de solutions isolantes)



Références :

http://www.e-scio.net/thermo/agit.php3

http://www.ademe.fr/particuliers/fiches/pdf/isolation.pdf

http://www.tour-energie.fr

http://www.bretagne-energie.fr/

http://fr.wikipedia.org

physique spé PC PC* chez Tec et doc par S. Olivier, H. Gié, JP Sarmant

FICHE 4
Fiche ÉlÈve



Isoler une maison…une question de physique ?

Activité documentaire :


D’après : http://www.ademe.fr/particuliers/fiches/pdf/isolation.pdf

et http://www.tour-energie.fr

Document 1 : Isoler est une nécessité


L’isolation vous permet de réduire les déperditions à travers les parois.

Les besoins en chauffage sont diminués et votre facture allégée.

En été, l’isolation fait barrière à la chaleur et au rayonnement solaire extérieur.

Les parois non isolées, comme les murs et les fenêtres, sont froides par « contact » avec l’air extérieur et provoquent des sensations d’inconfort (de façon similaire, les parois non isolées sont chaudes pendant la saison

estivale).

Perte de chaleur d’une maison individuelle non isolée




Document 2 : La qualité du vitrage

Le double vitrage classique (deux verres emprisonnant

une lame d’air) est plus performant que le simple vitrage :

• il réduit l’effet de paroi froide ;

• il diminue les condensations et les déperditions thermiques

à travers les fenêtres.

Le double Vitrage à Isolation Renforcée (VIR) constitue

la nouvelle génération de doubles vitrages. Une fine

couche transparente peu émissive (généralement à

base d’argent) est déposée sur une des faces du verre

(coté lame d’air). Cette couche agit comme un bouclier

invisible pour empêcher en hiver la chaleur intérieure

de fuir à l’extérieur. Le (VIR) a un pouvoir isolant deux à trois fois supérieur à celui d’un double vitrage ordinaire, et plus

de quatre fois supérieur à celui d’un vitrage simple [...]

Il fait disparaître l’effet de paroi froide.
Document 3 : bien choisir les produits d’isolation

Un isolant a pour but de conserver la chaleur à l’intérieur du bâtiment, il doit donc être un mauvais conducteur de chaleur. Le coefficient de conductivité thermique d’un corps est indiqué par la lettre grecque λ (lambda) et s’exprime en W.m-1.K-1. Il caractérise l’aptitude à transmettre ou non la chaleur pour un matériau donné. Plus la valeur du λ est faible, plus le matériau est isolant.

Un isolant est caractérisé le plus souvent par sa résistance thermique (R) exprimée en m².K.W-1. Plus cette valeur est importante plus le matériau sera isolant.

    1. Etude des documents 1 et 2 :




      1. D’après les documents présentés, préciser les modes de transferts d’énergie mis en jeu lors des déperditions énergétiques dans une maison non isolée.




      1. Activité expérimentale :

On dispose de trois cristallisoirs, l’un contient de l’eau froide, le deuxième contient de l’eau tiède et le troisième de l’eau chaude. Un élève trempe la main gauche dans l’eau froide et la main droite dans l’eau chaude pendant une minute environ. Puis il trempe ses deux mains dans le cristallisoir d’eau tiède.


        1. Noter ses observations

        2. Interpréter les résultats :

  • Dans quel sens se réalise un transfert énergétique ?

  • Quand le transfert cesse t’il ?




      1. Les échanges énergétiques dans une maison se déroulent ils dans le sens décrit à la question 2) ?




    1. Etude du document 3 :




      1. Qu’est ce qu’un isolant thermique ?




      1. Expérience de pensée :

Imaginez deux morceaux l’un de métal et l’autre de bois dans la même pièce depuis longtemps : ils sont à la même température.

  • L’un des matériaux vous paraît il plus froid que l’autre au toucher ?

  • Proposez une interprétation




      1. Exprimer la résistance thermique en fonction de l’épaisseur du matériau et de sa conductivité thermique.



Épaisseur de différents matériaux pour une même résistance thermique


      1. Comment isoler un mur ?




      1. En déduire une propriété des résistances thermiques.




    1. Institutionnalisation des recherches :




Auteur : I. BERNARD Académie de LYON

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